基于節(jié)能設(shè)計(jì)的建筑全生命周期碳排放分析

孔繁藝 熊海亭 嚴(yán)歡

[摘? 要]：文章以四川省廣元市某鋼框架建筑群為例，分析基于節(jié)能設(shè)計(jì)的建筑全生命周期內(nèi)的碳排放強(qiáng)度。結(jié)果顯示，節(jié)能設(shè)計(jì)能夠顯著減少該建筑群全生命周期碳排放量，節(jié)能減排效果明顯。

[關(guān)鍵詞]：建筑碳排放; 生命周期評(píng)價(jià); 節(jié)能設(shè)計(jì)

TU201.5A

建筑碳排放主要指的是建筑物全生命周期溫室氣體的排放總量，包括與其有關(guān)的建筑設(shè)計(jì)、建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建造及拆除、運(yùn)行階段產(chǎn)生的溫室氣體排放[1]。建筑碳排放計(jì)算方法主要有實(shí)測(cè)法、物料衡算法、排放系數(shù)法和模型法等[2]。通常來(lái)說(shuō)，建筑設(shè)計(jì)階段的碳排放量較少，因此住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的GB T51366-2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[3]忽略了該階段的碳排放，并基于碳排放因子的排放系數(shù)法計(jì)算建筑物全生命周期溫室氣體的排放量。李靜等[4]研究了北京市某剛框架結(jié)構(gòu)廠房全生命周期的碳排放強(qiáng)度。陳莎等[1]對(duì)比了北京市某辦公樓和教學(xué)樓全生命周期的碳排放量。王晨楊[5]研究長(zhǎng)三角地區(qū)某高層辦公建筑全生命周期內(nèi)的碳排放量。葛小榕[6]研究了大連市某大型辦公建筑年單位面積碳排放量。李遠(yuǎn)釗等[7]對(duì)比了天津市29棟高層辦公建筑生命周期內(nèi)的碳排放量。秦驁等[8]研究了成都某地鐵車站全生命周期碳排放研究。研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)、不同類型建筑全生命周期碳排放差異較大。更為重要的是，近來(lái)年各地方相繼發(fā)布并執(zhí)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，但少有研究分析采用節(jié)能設(shè)計(jì)前后建筑物全生命周期碳排放量的變化，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑碳減排方面的效果難以量化。

本文以四川省廣元市某鋼框架建筑群為研究對(duì)象，分別計(jì)算該建筑群基于節(jié)能設(shè)計(jì)和基于非節(jié)能設(shè)計(jì)的全生命周期內(nèi)的碳排放量和構(gòu)成，以便量化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑節(jié)能減排方面的成效。該建筑群包括1座綜合辦公樓、1座綜合倒班樓、1座輔助用房、2座值班室。

相關(guān)碳排放計(jì)算方法及碳排放因子選取主要參考GB T 51366-2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[3]， 以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)。

1 建筑碳排放的計(jì)算基礎(chǔ)

1.1 碳排放計(jì)算單位

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建筑物碳排放計(jì)算應(yīng)以二氧化碳當(dāng)量（CO2e）表示。由于不同溫室氣體導(dǎo)致地球溫室效應(yīng)的強(qiáng)度有所不同，為統(tǒng)一度量不同氣體的溫室效應(yīng)結(jié)果，將各種溫室氣體（包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫）按二氧化碳的排放量進(jìn)行折算。

1.2 碳排放因子

碳排放因子指的是消耗單位質(zhì)量能源或者單位體積建筑材料所產(chǎn)生溫室氣體的排放量，是建筑碳排放計(jì)算的基礎(chǔ)。本文采用的碳排放因子根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄A～附錄E。

1.3 碳排放計(jì)算邊界

建筑碳排放計(jì)算邊界指的是與建筑物有關(guān)的建筑設(shè)計(jì)、建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建造及拆除、運(yùn)行及維護(hù)階段產(chǎn)生的溫室氣體排放量之和。

2 建筑全生命周期碳排放計(jì)算

在計(jì)算建筑全生命周期碳排放時(shí)，將其整個(gè)生命周期分為建筑設(shè)計(jì)、建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建筑建造、建筑運(yùn)行、建筑拆除共計(jì)6個(gè)階段分別進(jìn)行碳核算，并匯總得到整個(gè)生命周期碳排放量。需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在評(píng)價(jià)建筑物碳排放強(qiáng)度時(shí)，需要以其全生命周期內(nèi)單位建筑面積的碳排放量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，建筑全生命周期碳排放量按式（1）計(jì)算：

C=CSJ+CSC+CYS+CJZ+CM+CCCA（1）

式中：C表示建筑全生命周期內(nèi)單位建筑面積的碳排放量（kgC02e/m2）;CSJ、CSC、CYS、CJZ、CM、CCC分別表示建筑設(shè)計(jì)、建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建筑建造、建筑運(yùn)行和建筑拆除階段的碳排放量（kgC02e）;A表示建筑面積（m2）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，納入計(jì)算的主要建筑材料總重量不應(yīng)低于建筑中所耗建材總重量的95%，重量比小于0.1%的建筑材料可不計(jì)算。雖然采用節(jié)能設(shè)計(jì)和非節(jié)能設(shè)計(jì)的建筑材料可能有所不同，但生產(chǎn)這些建筑材料過(guò)程中的碳排放差異其實(shí)不大，因此本文主要考慮建筑節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)建筑運(yùn)行階段碳排放量的影響，其他階段的碳排放量相同。

2.1 建筑設(shè)計(jì)階段碳排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑設(shè)計(jì)階段碳排放量忽略不計(jì)（CSJ=0）。

2.2 建材生產(chǎn)階段碳排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建材生產(chǎn)階段碳排放應(yīng)按式（2）計(jì)算：

CSC=∑ni=1MiFi

（2）

式中：CSC表示建材生產(chǎn)階段的碳排放量（kgCO2e）;Mi表示第i種主要建材的消耗量;Fi表示第i中主要建材的碳排放因子（kgCO2e/單位建材數(shù)量），按標(biāo)準(zhǔn)附錄D取值。

2.3 建材運(yùn)輸階段碳排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建材運(yùn)輸階段碳排放應(yīng)按式（3）計(jì)算：

CYS=∑ni=1MiDiTi（3）

式中：CYS表示建材運(yùn)輸過(guò)程的碳排放量（kgCO2e）; Mi表示第i種主要建材的消耗量（t）;Di表示第i種建材平均運(yùn)輸距離（km）;Ti表示在第i種建材的運(yùn)輸方式下，單位重量運(yùn)輸距離的碳排放因子[kgCO2e/（t·km）]。

2.4 建筑建造階段碳排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑建造階段的碳排放量應(yīng)按式（4）計(jì)算：

CJZ=∑ni=1EJZ，iEF，i

（4）

式中：CJZ表示建筑建造階段的碳排放量（kgCO2e）;EJZ，i表示建筑建造階段第i種能源總用量（kWh或kg）;EF，i第i類能源的碳排放因子（kgCO2e/kWh或kgCO2e/kg），按標(biāo)準(zhǔn)附錄A確定。

2.5 建筑運(yùn)行階段碳排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑運(yùn)行階段碳排放量應(yīng)根據(jù)各系統(tǒng)不同類型能源消耗量和不同類型能源的碳排放因子確定，建筑運(yùn)行階段單位建筑面積的總碳排放量應(yīng)按式（5）計(jì)算：

CM=[∑ni=1EiEF，i-CP]y

（5）

式中：CM表示建筑運(yùn)行階段的碳排放量（kgCO2e）;Ei表示建筑第i種能源能源年消耗量（單位/a）;EF，i第i類能源的碳排放因子（kgCO2e/kWh或kgCO2e/kg），按標(biāo)準(zhǔn)附錄A確定; i表示建筑消耗終端能源類型，包括電力、燃?xì)狻⑹?、市政熱力?CP表示建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量（kgC02/a）;y表示建筑設(shè)計(jì)壽命（a）。

2.6 建筑拆除階段碳排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑拆除階段的碳排放量應(yīng)按式（6）計(jì)算：

CCC=∑ni=1ECC，iEF，i

（6）

式中：CCC表示建筑拆除階段的碳排放量（kgCO2e）;ECC，i表示建筑拆除階段第i種能源總用量（kWh或kg）;EF，i表示第i類能源的碳排放因子（kgCO2e/kWh），按標(biāo)準(zhǔn)附錄A確定。

3 碳排放計(jì)算實(shí)例

3.1 項(xiàng)目介紹

該項(xiàng)目位于四川省廣元市劍閣縣鹽店鎮(zhèn)，包括1座綜合辦公樓、1座綜合倒班樓、1座輔助用房、2座值班室等附屬設(shè)施。綜合辦公樓占地面積701 m2，地上4層，建筑高度15.6 m，建筑共計(jì)面積2 653 m2。綜合倒班樓占地面積799 m2，地上4層，建筑高度15.0 m，建筑面積共計(jì)3 028 m2。輔助用房為地上1層，建筑高度5.4 m，建筑面積733 m2。值班室均為地上1層，建筑面積共計(jì)56 m2。該建筑群主要為鋼框架結(jié)構(gòu)體系，建筑總面積6 470 m2，設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，GB 50176《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，GB/T 7106-2008《建筑外門窗氣密，水密，抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》 [13]，GB/T 21086-2007《建筑幕墻》 [14]， JGJ 134-2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 [15]，DB 51/5027-2019《四川省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]， DBJ51/143-2020《四川省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10] 。綜合辦公樓、綜合倒班樓和輔助用品的首層平面圖分別如圖1～圖3所示。

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)孔繁藝， 熊海亭， 嚴(yán)歡： 基于節(jié)能設(shè)計(jì)的建筑全生命周期碳排放分析

3.2 建筑全生命周期碳排放計(jì)算

由于建筑設(shè)計(jì)階段的碳排量較小，忽略不計(jì)。根據(jù)該項(xiàng)目鋼構(gòu)件、鋼筋、水泥、混凝土等主要建材的種類和使用量，結(jié)合規(guī)范提供的建材碳排放因子，依據(jù)式（2）計(jì)算建材生產(chǎn)階段碳排放量。在計(jì)算建材運(yùn)輸階段碳排放量時(shí)，混凝土的運(yùn)輸距離值設(shè)為40 km，其他建材的默認(rèn)運(yùn)輸距離值設(shè)為500 km，采用18 t重型柴油貨車運(yùn)輸方式，依據(jù)式（3）得到建材運(yùn)輸階段碳排放量。根據(jù)建筑建造階段各類型機(jī)械的能源使用量和能源碳排放因子，依據(jù)式（4）得到建筑建造階段的碳排放量。建筑運(yùn)行階段的碳排放采用簡(jiǎn)化計(jì)算， 根據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2016）》，非節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)該建筑群運(yùn)行階段單位面積耗能強(qiáng)度23.32 kgCO2e/m2a，采用節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)該建筑群運(yùn)行階段單位面積耗能16.32 kgCO2e/m2a，乘以設(shè)計(jì)使用年限得到建筑運(yùn)行階段的碳排放量。根據(jù)建筑拆除階段各類型機(jī)械的能源使用量和能源碳排放因子，依據(jù)式（6）得到建筑拆除階段的碳排放量。最后，將上述6個(gè)階段的碳排放量求和并除以該建筑群的建筑總面積，即得建筑全生命周期單位建筑面積的碳排放量。

3.3 結(jié)果分析

該建筑群基于非節(jié)能設(shè)計(jì)和基于節(jié)能設(shè)計(jì)的全生命周期碳排放量分別如表1和表2所示。由表1和表2可以看出，建筑運(yùn)行階段和建材生產(chǎn)階段的碳排放量占該建筑群全生命周期碳排放量的絕大部分：建筑運(yùn)行階段，采用非節(jié)能設(shè)計(jì)CM高達(dá)81.8%，即使采用節(jié)能設(shè)計(jì)CM仍高達(dá)75.9%;建材生產(chǎn)階段，采用非節(jié)能設(shè)計(jì)CSC 為10.3%，采用節(jié)能設(shè)計(jì)CSC為13.7%。因此，建筑運(yùn)行階段和建材生產(chǎn)階段是我國(guó)建筑行業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是我國(guó)兌現(xiàn)2030碳達(dá)峰、2060碳中和這一鄭重承諾的重要路徑。此外，采用非節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，該建筑群全生命周期單位建筑面積碳排放量高達(dá)1 425 kgCO2e/m2;而采用節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，該建筑群全生命周期單位建筑面積的碳排放降至1 075 kgCO2e/m2，降幅高達(dá)24.6%，節(jié)能減排效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)某一項(xiàng)目實(shí)例，定量研究了基于非節(jié)能設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)的建筑全生命周期碳排放。研究表明，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可以大幅降低建筑運(yùn)行階段的碳排放量。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，即使采用節(jié)能設(shè)計(jì)，建筑運(yùn)行階段碳排放仍占其全生命周期碳排放的絕大部分。因此，通過(guò)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)減少建筑碳排放的潛力仍然較大。

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